基于BIM技术的建筑工程项目材料变更成本追溯与造价偏差预警研究
基于BIM技术的建筑工程项目材料变更成本追溯与造价偏差预警研究
摘要：工程项目中材料变更常常导致成本波动，从而对项目的预算和风险管理产生显著影响。随着BIM（建筑信息模型）技术的广泛应用，材料变更的成本追溯和预警机制得到了有效的提升。本研究提出了一种基于BIM的材料变更成本追溯与造价偏差预警方法。通过构建多维度BIM成本追溯机制，可以实时跟踪材料变更，精确计算成本差异。同时，结合动态预警阈值的设定和机器学习（如LSTM模型）预测材料价格趋势，该方法能够实时监控项目的成本波动，并为管理人员提供及时的预警信息。通过分级响应策略，项目团队可以在早期识别潜在的成本风险，避免预算超支。该方法具有更高的灵活性和前瞻性，能够有效提升工程项目的成本控制能力。
关键词：BIM技术、材料变更、成本追溯、造价偏差预警、机器学习、LSTM、风险管理、预算控制
引言
在建筑工程项目中，材料变更作为不可避免的现象，常常引发成本波动和项目预算超支。而传统的成本管理方法往往难以应对材料价格波动、供应链波动及施工进度变化等因素的综合影响。随着时代的发展，建筑信息模型（building information modeling, BIM）技术已经成为提高成本管理水平的重要技术。但现有的BIM技术在成本管理中仍面临数据割裂、动态更新不足及缺乏有效的风险预警机制等问题[1]。因此，如何在应用BIM技术的基础上构建实时的成本追溯与偏差预警系统，就成为提升成本管理效率的关键。下面本文拟对基于BIM技术的建筑工程项目材料变更成本追溯与造价偏差预警进行研究，即通过阐述材料变更对项目成本的影响机理及BIM技术在成本管理中的应用瓶颈，构建了BIM技术驱动的材料变更成本追溯与造价偏差预警模型构建，以便帮助项目团队实时发现潜在的成本风险，并通过精确的预算调整和资源调配措施，确保项目按计划、按预算顺利完成。
1 材料变更对项目成本的影响机理
在建筑工程项目中，材料变更作为不可避免的现象，其对成本的影响往往复杂且深远。每一次材料变更都可能触发一系列连锁反应，不仅直接影响单项成本，还可能对整个工程的经济效益和风险管理产生重大影响。要深入理解材料变更对工程成本的影响机制，必须从多个维度分析其内在的关联性与风险特征（图1）。
图1 材料变更对项目成本的关联影响机制
1.1 触发因素
建筑工程项目材料变更的触发因素可以归结为设计、施工和供应链三个主要方面。设计的变更通常是引发材料更换的主要因素之一。设计修改可能导致原材料规格、性能要求、数量甚至交货时间发生变化，这种变化会直接导致采购和施工成本的增加。设计调整虽然在一定程度上是为了满足更高的技术要求或新的设计理念，但这些修改也可能导致预算超支，进而引发成本波动。例如，某项目中原定使用的材料因无法满足新的结构强度要求而被替换为性能更高但价格更贵的材料，从而增加了总体工程成本。
施工过程中的技术问题或现场条件的变化也是常见的材料变更触发因素。施工时，若发现原设计无法满足现场实际情况（如土壤条件、气候变化等），可能需要更换材料或调整施工方案，以确保工程质量或施工进度。这种变更往往会涉及到既有材料的拆除、替换及相关的二次施工，带来不容忽视的成本压力。
在供应链方面，材料价格波动、供应商交货延迟或质量问题，也常常导致工程中使用的材料发生变更。例如，国际市场上的钢材价格波动可能导致原计划使用的低价钢材无法按时供应，迫使项目方寻找价格较高的替代材料，这种替代通常伴随着更高的采购成本。供应链中断或不稳定，可能还会带来项目施工进度的延误，进一步推高了工程的间接成本。
1.2 成本关联性
材料变更对建筑工程项目成本的影响并非孤立发生，而是与项目的多个层面紧密关联。在工程项目的成本结构中，材料成本通常占据较大比重，材料变更的直接成本影响显而易见。然而，材料变更对成本的影响不仅仅体现在原材料的采购费用上，还包括施工、劳动力、设备使用及项目管理等间接成本。例如，材料变更可能导致施工方式的调整，从而增加工时、机械使用费用等。变更还可能影响项目的整体进度计划，导致项目延期，这会增加融资成本、管理费用及后续维护费用。
在项目的生命周期中，材料变更往往伴随着设计、施工和管理层的多次协同调整。这些调整产生的成本并非局部的，而是通过项目整体的风险传递机制，逐步累积并反映在项目的最终成本上。因此，材料变更的成本不仅是直接费用的增加，更涉及到整个项目运营过程中多个环节的重新调度与成本优化。
1.3 风险特征
建筑工程项目材料变更带来的风险，尤其是在复杂的项目中，往往具有复合性和多变性。首先，材料价格波动是影响成本变化的主要风险因素之一。国际市场的不稳定性，如原材料供需失衡、运输成本上升或生产商生产能力变化，都会导致材料价格的剧烈波动。特别是在大宗原材料如钢材、水泥和汽油产品的价格变动中，价格的剧烈波动可能对工程项目的成本产生极大的影响。价格变动的难以预测性使得项目团队在进行成本预算时，面临较高的不确定性。
替代材料的选择与质量控制也是一个重要的风险源，尽管市场上存在许多价格较低的替代材料，但其质量和性能能否达到设计要求往往是一个不容忽视的问题。选用低价替代材料可能短期内节省成本，但如果其在施工过程中出现问题，或在长期使用过程中发生质量退化，最终可能导致更高的维修和维护成本，从而引发较大的财务风险。因此，材料变更中的替代方案选择，需要全面考虑其对工程质量、进度及后期维护的影响，以减少不可预见的风险。
项目变更对项目管理的影响也是一个重要的风险维度，在材料变更的过程中，项目团队不仅要应对新材料的采购、交付和施工问题，还要协调设计、施工和供应链等各方的沟通和调整。若管理不当，可能导致信息的延迟或误解，从而引发进度拖延、成本超支甚至工程质量问题。项目管理层需要对变更进行有效监控，并实施风险预警机制，以避免由于管理不善而导致的额外成本。
此外，比起单一的成本增加，材料变更的影响往往具有复合的风险特征。设计变更和材料变更的联动效应，常常使得成本变化呈现递增趋势。例如，设计方案的修改可能需要同时调整材料的采购量、施工方式及技术支持，而这些调整的连锁反应可能导致预算与实际支出之间出现较大的差距。材料价格波动、供应链中断及替代方案选择，这些因素相互交织，进一步增加了材料变更过程中成本预测和控制的难度。
2 BIM技术在成本管理中的应用瓶颈
随着BIM技术在建筑工程项目中的逐步推广，其在成本管理领域的潜力逐渐显现。然而，尽管BIM技术在数据整合和可视化方面提供了强大的功能，现有BIM成本管理工具的应用依然面临不少瓶颈，尤其是在数据动态更新和信息共享方面，存在明显的局限性。
现有的BIM成本管理工具在多项目、多方协作的背景下，常常面临数据割裂的问题。BIM系统中的模型通常包括大量与成本相关的信息，如材料、施工进度、劳动力、设备使用等。然而，这些数据往往存在于不同的系统中，或者缺乏及时同步的机制。比起单一平台对接数据的局限性，更为严重的是信息的割裂使得各方无法获得一致的实时数据，从而影响决策的准确性与及时性。例如，施工进度的延误未能即时反映在成本管理系统中，导致实际成本超支时，项目团队往往难及时采取应对措施。
与数据割裂相伴随的另一个问题是BIM系统中的动态更新不足。在工程项目实施过程中，材料采购价格、劳动力成本等均存在不断变化的可能，三维模型需要对这些变化做出快速响应，以确保成本管理的准确性和实时性。然而，现有的三维模型在对材料属性和成本数据的更新方面，尚缺乏有效的动态集成机制。每当出现材料价格波动或设计变更时，三维模型中的成本数据未能及时反映，这使得项目管理人员难及时获得准确的成本信息，进而影响预算的制定和资金的安排。尽管BIM技术在整合信息和可视化方面表现出色，如何将这些信息与实际的成本数据进行无缝对接，仍然是一个亟待解决的问题。在工程项目中，材料变更往往会对成本产生深远影响，但三维模型中的材料属性和成本数据并未实现有效的动态集成[2]。这使得在材料变更时，BIM系统无法精准反映新的成本结构，而只能依赖传统的手工调整，增加了项目管理的复杂度和人为失误的风险。尤其在复杂的大型工程中，这种技术难点更为突出，若未能有效集成，成本管理的效率和精度都将受到较大影响。
3 BIM驱动的材料变更成本追溯与造价偏差预警模型构建
3.1 多维度BIM成本追溯机制设计
在建筑工程项目中，BIM技术不仅作为设计和施工的可视化工具发挥重要作用，还在成本管理中提供了显著的优势，尤其是在材料变更的背景下，如何实现成本的实时追溯和动态调整，成为BIM在成本管理中的关键挑战。为应对这一挑战，基于IFC标准构建的多维度BIM成本追溯机制提供了一种有效的解决方案[3]。通过这一机制，项目团队能够实时追踪材料变更信息，并准确映射材料属性与成本之间的关系，从而为项目管理提供全面的成本控制支持（图2）。
图2 多维度BIM成本追溯机制设计图
在材料变更过程中，三维模型的核心作用是将变更信息与材料的成本数据进行精确关联。这要求成本追溯机制能够在多维度之间建立联系，涵盖材料属性、采购情况、使用数量、施工进度、设计变更和供应链波动等多个方面。例如，若某一材料的价格上涨，系统能够及时反映这一变动对整体成本的影响。而供应链波动可能导致原材料的采购延迟或价格变动，也能够在三维模型中实时更新，从而准确体现材料变更对项目成本的综合影响。
为了高效实现成本追溯，开发一套支持变更前后成本差异可视化和历史版本对比的算法至关重要。这一算法不仅能精确计算材料变更前后的成本差异，还能通过图形化界面展示变化，帮助项目管理人员直观地了解每一项材料变更对预算的具体影响。例如，当某一材料的价格发生波动时，系统可以清晰标识出价格变化的幅度及其对总体成本的影响，并通过历史版本对比功能帮助管理人员分析成本波动的趋势。[4]
在这一过程中，成本差异的计算是最基础也是最关键的部分。例如，当某一材料的价格发生变化时，BIM系统会立即计算出变更前后的成本差异。假设原材料的成本为，变更后材料的成本为，那么成本差异（）可以通过以下公式计算：
（1）
这样，系统能够为项目管理人员提供变更后的成本数据，确保他们清晰地了解变更对项目预算的影响。这不仅帮助管理人员及时调整预算，还可以通过成本差异的可视化图表，直观展示成本波动情况，从而为决策提供支持。
动态更新是BIM成本追溯机制的另一关键特性。由于材料价格、供应链状况和施工进度等因素在项目执行过程中不断变化，BIM系统必须具备高度的灵活性，能够实时更新数据并自动调整成本预测。当材料价格波动或施工进度延误时，系统能够迅速调整预算，并在成本追溯中显示变更前后的差异，确保预算信息始终保持准确。在这个过程中，动态调整算法可以通过实时采集的市场价格和施工进度数据，对材料成本进行调整。例如，若某一材料的市场价格出现波动，系统会实时根据以下公式更新其成本：
（2）
式中，为调整后的成本；为当前成本；为第项材料的价格变化；为第项材料的需求量；为材料种类的总数。
这样，BIM系统能够快速响应市场变化，确保项目团队在整个施工过程中始终拥有准确的成本数据。
为了确保成本的实时追溯和调整，BIM系统还需要与其他项目管理工具无缝集成。这种集成不仅提升了数据的共享性，还能确保各方基于相同的最新信息作出决策。比如，施工进度的延误、材料价格波动、供应链变化等信息都会实时反映在三维模型中，使得管理者能够及时掌握项目的最新成本状况，从而做出及时的调整。
风险预测是BIM成本追溯机制的重要组成部分，特别是针对材料价格波动和供应链问题。BIM系统能够通过引入机器学习算法，如长短期记忆网络（long short-term memory, LSTM），对材料价格趋势进行预测，进而预判未来可能出现的成本波动[5]。这一过程的核心在于基于历史价格数据预测未来材料的价格趋势。例如，LSTM网络能够根据历史价格数据推断未来的价格变化趋势，从而为项目管理提供更精准的成本预测。假设LSTM模型对材料价格的时间序列进行建模，未来某一时间点的价格可以通过以下公式进行预测：
（3）
式中，为预测的下一个时间点的材料价格；为当前时间点的价格；为LSTM模型的预测函数；为历史数据的长度。
通过这一预测，项目团队能够提早识别潜在的风险，及时调整项目预算和采购计划。
基于动态更新和风险预测，BIM系统能够为项目管理人员提供实时的成本差异分析，并帮助他们做出相应的调整。例如，当系统检测到材料价格上涨的风险时，管理者可以通过调整采购计划或修改施工计划来降低成本波动的影响。
基于IFC标准的多维度BIM成本追溯机制不仅实现了材料变更过程中成本数据的实时更新，还通过成本差异可视化、历史版本对比及动态调整等功能，帮助项目团队应对日益复杂的成本管理挑战。通过引入高效的算法和精确的数据处理，BIM系统能有效提高成本控制的精度与效率，减少人为误差，确保项目按时、按预算完成。[6]
3.2 基于动态阈值的造价偏差预警模型建立
在建筑工程项目中，尤其是面对材料变更的情况下，预算超支和成本控制的难度急剧增加。为了确保项目能够在预算范围内顺利完成，传统的预算管理方法常常无法实时反映动态的市场变化与工程进度带来的成本波动。因此，基于动态阈值的造价偏差预警模型应运而生。该模型通过实时跟踪成本偏差，结合机器学习预测材料价格趋势，并动态调整预警阈值，为项目管理人员提供及时的风险预警，帮助他们在早期阶段识别并应对潜在的成本风险（图3）。
图3 基于动态阈值的造价偏差预警模型示意图
本模型的核心在于将实时成本数据与材料价格波动、工程进度等因素结合起来，动态设定预警阈值。通过与多维度BIM成本追溯机制的结合，系统能够在材料变更和施工进度发生变化时，快速计算成本差异并识别出潜在的预算偏差。动态预警阈值是该模型的关键，它能够根据实时的材料价格变化、供应链状况和施工进度调整，确保预警能够灵敏反应项目中的任何成本变化。以下是模型实施的步骤与方法：
第一，实时成本数据更新与成本偏差分析：基于多维度BIM成本追溯机制，材料变更的所有信息会在BIM系统中实时更新，这包括材料价格、采购量、使用数量等数据。每当材料发生变更时，三维模型会更新相关的成本信息，并进行实时的成本偏差分析。如果实际成本超出了预设的预算，系统会自动进入预警分析模式，为后续的预警触发提供数据支持。
第二，动态预警阈值设定：在该模型中，预警阈值并非一成不变，而是随着材料价格波动、工程进度变化及供应链波动等因素动态调整[7]。BIM系统通过实时获取材料价格的市场信息，结合施工进度的实际情况，自动调整预警阈值。若某一材料的市场价格波动幅度超过设定的预警阈值，系统将立即发出预警提示。这一过程确保了系统能够快速响应市场变化和施工进度的变化，及时发现潜在的预算偏差。
第三，机器学习预测材料价格趋势：为了精确预测材料价格的未来趋势，BIM系统引入了机器学习方法，尤其是LSTM模型。LSTM能够处理时间序列数据，基于历史的材料价格、市场需求及相关因素，预测未来的价格波动。预测结果将直接影响预警阈值的调整。如果LSTM预测某一材料价格将会大幅上涨，系统将提前调低阈值，从而为项目管理人员提供及时的风险提示。[8]
第四工程进度的影响因素：除了材料价格外，工程进度也是成本控制的重要因素。BIM系统将实时跟踪施工进度，并结合项目计划中的关键节点，动态调整预警阈值。工程进度的延迟可能会导致材料采购时机发生变化，从而引发价格波动。系统会根据工程进度的变化，自动计算进度延误对成本的影响，并相应调整预警阈值，确保项目团队能够及时识别成本的潜在风险。
第五，预警触发机制与分级响应策略：一旦实际成本或偏差达到设定的预警阈值，系统将触发预警机制。根据偏差的程度，预警将分为不同的级别，常见的如黄色警报和红色警报。黄色警报意味着成本偏差较小，项目团队可以对采购计划和工程进度做出调整，而红色警报则表明成本已经严重偏离预算，项目团队需要立即采取措施，如调整资金分配或重新审视施工方案。[9]
第六，项目预算调整与资金调度：在红色警报触发时，BIM系统将立即调整项目预算，并提供资金调度建议。系统会根据预警信息提出优化资金使用的方案，确保项目资金能够合理分配，避免进一步超支。例如，项目管理人员可以根据预警信息，提前调整某些材料的采购量或延迟采购时间，从而避免因价格波动而导致的预算超支。
基于动态阈值的造价偏差预警模型为工程项目提供了一种新的预算控制方法，通过实时跟踪材料价格、工程进度和供应链等因素的变化，动态调整预警阈值，并利用机器学习预测价格趋势。这一模型不仅能够实时发现项目中的造价偏差，还能够通过分级响应策略，帮助项目管理人员采取相应的措施，确保项目按预算完成。与传统的静态预算管理方法相比，该模型具有更高的灵活性和前瞻性，使得项目团队能够在面对复杂的市场环境和施工进度时，做出更加精准和及时的决策。[10]
4 结语
本研究提出的基于BIM的材料变更成本追溯与造价偏差预警模型，利用BIM技术的实时数据更新与动态阈值设定，结合机器学习算法对材料价格趋势的预测，有效解决了材料变更带来的成本管理难题。通过精确的成本差异计算和历史版本对比，项目管理人员能够在变更发生时及时识别成本偏差，并在动态调整预算和资源时作出更为精准的决策。基于动态阈值的预警模型，能够结合市场变动、工程进度等因素进行实时调整，确保在不同阶段采取适当的响应策略，以避免预算超支。与传统的静态预算管理模型相比，该模型在灵活性、前瞻性及风险管控能力上具有明显优势，为复杂工程项目提供了一种更为精细的成本控制工具。
参考文献
[1]邹立坤,左峥.装配式建筑施工安全管理中BIM技术的应用研究[J].建筑安全,2024,39(12):77-79+83.
[2]卓珊,姜洪福.基于BIM的轨道交通施工总承包建设管理平台的质量管理[J].智能建筑与智慧城市,2024,(09):95-97.
[3]成月.BIM技术在MIC模块化集成建筑中的应用[J].中国勘察设计,2024,(09):93-96.
[4]施陈诚.BIM技术在轨道交通施工中的应用[J].居业,2024,(08):82-84.
[5]沈倍敏.基于BIM的机电安装施工质量管理研究[J].绿色建筑,2024,(04):212-216.
[6]赵红. 基于BIM技术的建筑工程造价自适应控制方法 [J]. 山西建筑, 2025, 51 (08): 179-182. DOI:10.13719/j.cnki.1009-6825.2025.08.038.
[7]耿标. 探究BIM技术在建筑智能化系统运维中的作用 [J]. 智能建筑与智慧城市, 2025, (03): 100-102. DOI:10.13655/j.cnki.ibci.2025.03.031.
[8]李晓琳. 装配式混凝土住宅建筑工程施工技术的优势分析 [J]. 居舍, 2025, (08): 87-90.
[9]叶丙塬. 住宅建筑工程中外墙防渗漏施工技术的应用 [J]. 居舍, 2025, (08): 57-60.
[10]宫语晨. BIM技术在建筑工程施工安全管理中运用分析 [J]. 城市建设理论研究(电子版), 2025, (08): 136-138.
